Een techniek voor het uitvoeren van kwantitatieve driedimensionale (3D) beeldvorming voor verschillende vloeistofstromen gepresenteerd. Met behulp van concepten uit de omgeving van het Licht Field Imaging, we reconstrueren 3D volumes van arrays van beelden. Onze 3D resultaten omvatten een breed scala waaronder snelheidsvelden en multi-fase belgrootte distributies.
Op het gebied van stromingsleer, heeft de resolutie van computationele systemen overtrof experimentele methoden en de kloof tussen voorspelde en waargenomen verschijnselen in vloeistofstromen. Aldus bestaat er behoefte aan een toegankelijke methode kunnen oplossen driedimensionale (3D) datasets voor diverse problemen. We een nieuwe techniek voor het uitvoeren van kwantitatieve 3D beeldvorming van vele soorten stromingen. De 3D-techniek maakt onderzoek van ingewikkelde snelheidsvelden en sprankelend stromen. Metingen van deze soorten van een hele reeks uitdagingen voor het instrument. Zo kan optisch dichte bruisend meerfaze niet gemakkelijk worden afgebeeld door traditionele niet-invasieve stroom meettechnieken als gevolg van de luchtbellen afsluiten van optische toegang tot het inwendige gebieden van het volume van belang. Door het gebruik van Light Field Imaging wij de mogelijk om beelden die door een reeks van camera's om een 3D-volumetrische kaart voor elke keer dat bijvoorbeeld reconstrueren reparameterize, ondanksgedeeltelijke occlusies in het volume. De techniek maakt gebruik van een algoritme bekend als synthetische apertuur (SA) heroriëntatie, waarbij een 3D focal stapel wordt gegenereerd door het combineren van beelden van meerdere camera's post-vangen 1. Light Field Imaging zorgt voor de vangst van hoekige en ruimtelijke informatie over de lichtstralen, waardoor het mogelijk 3D-scène reconstructie. Kwantitatieve informatie kan dan uit de 3D reconstructie gebruik van verschillende algoritmes. In het bijzonder hebben we meetmethoden gebaseerd op Light Field Imaging voor het uitvoeren van 3D particle image velocimetry (PIV), extraheren bellen in een 3D veld en het volgen van de grens van een flikkerende vlam. We presenteren de fundamenten van het Licht Field Imaging methodiek in het kader van onze opstelling voor het uitvoeren van 3DPIV van de luchtstroom die over een reeks van synthetische stembanden, en tonen representatieve resultaten van de toepassing van de techniek om een bubble-meevoeren kelderen jet.
Verschillende stappen zijn essentieel voor een goede uitvoering van een Light Field Imaging experiment. Lens selectie en plaatsing camera moet zorgvuldig worden gekozen om de resolutie te maximaliseren binnen de meetruimte. Kalibratie is misschien wel de meest kritische fase, als de SA heroriëntatie algoritmen zullen niet scherp beelden te produceren zonder nauwkeurige kalibratie. Gelukkig, multi-camera zelf-calibratie maakt een nauwkeurige kalibratie met een relatief laag niveau van de inspanning. Uniforme verlichting in alle afbeeldingen die een goed contrast tussen de objecten van de rente en de achtergrond biedt, is het ook noodzakelijk, hoewel beeldverwerking kan de beelden normaliseren tot op zekere hoogte.
Timing is ook van belang bij het uitvoeren van SA op volumes die zijn bewegende objecten. Indien elke camera niet geactiveerd om een beeld op hetzelfde moment zal de beeldreconstructie uiteraard onnauwkeurig. Voor de experimenten in dit document hebben we gebruik gemaakt van de timing volgorde shown in figuur 7.
De 3D-Light Field Imaging ingediende aanvragen hierin sprake van een ruimtelijke resolutie trade-off. Zo kan 3D SAPIV reconstrueren deeltjes volumes van optisch dichte deeltjes beelden, maar de deeltjes zijn verdeeld over een (potentieel grote) volume. Voor 2D PIV worden de deeltjes verdeeld over een dunne plaat, en dus beelden met dezelfde deeltjesdichtheid overeen met een veel grotere dichtheid in de meetruimte. Niettemin de 3D SAPIV werkwijze maakt veel grotere dichtheden seeding dat andere 3D PIV methoden 1. Een ander potentieel beperken overweging is de relatief grote rekenkracht intensiteit geassocieerd met Light Field Imaging methoden, rekenkundige complexiteit is typisch voor beeld gebaseerde 3D reconstructie werkwijzen zoals tomografische-PIV 10.
Voor dit experiment gebruikten we 8 Photron SA3 camera's uitgerust met Sigma 105 mm macro lenzen en een Quantronix Dual Darwin Nd: YLF laser (532 nm, 200 mJ). De camera's en laser werden gesynchroniseerd samen via een Berkley Nucleonics 575 BNC digitale delay / pulsgenerator. De vloeistofstroom werd geënt met Expancel helium gevulde glazen microbolletjes. De microsferen hadden een gemiddelde diameter van 70 pm met een dichtheid van 0,15 g / cc. Wij bieden open source versies van de codes hier gebruikt voor de academische gemeenschap via onze website http://www.3dsaimaging.com/ en we moedigen gebruikers aan ons feedback te geven en in de verbetering en het leveren van bruikbare codes voor de kwantitatieve lichtveld gemeenschap deel te nemen.
The authors have nothing to disclose.
We willen graag NSF subsidie CMMI # 1126862 bedanken voor de financiering van de apparatuur en het ontwikkelen van de synthetische apertuur algoritmen aan de BYU, In-house Laboratorium Independent Research (Ilir) fondsen (gecontroleerd door Dr Tony Ruffa) voor de financiering van de uitrusting en ontwikkeling op NUWC Newport, en NIH / NIDCD, toont subsidie R01DC009616 voor financiering SLT, DJD en JRN en gegevens met betrekking tot de stemplooi experimenten en de Universiteit van Erlangen Graduate School in de geavanceerde optische technologieën (SAOT) voor gedeeltelijke ondersteuning van de SLT. Ten slotte is de Rocky Mountain NASA Space Grant Consortium voor financiering JRN.